【微信公众号】AESA论文推荐第8期:电池状态估计与复合电源
发表时间:2021-01-14     阅读次数:     字体:【

☆本期分享导读:

本期论文推荐主题为电池状态估计与复合电源,共8篇,电池状态估计内容包括:电池大倍率模型(1)、电极SOCSOH估计(2)、电池SOC估计(34)、电池电化学模型(5);复合电池内容包括:多功率源系统设计(678)。全部阅读预计用时16分钟,或按照对应标号阅读感兴趣的论文。分享知识是一种美德,如果喜欢,请把推送分享给您的同学、学生和身边可能有需要的人。

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论文一:电动汽车用大功率钛酸锂电池的温度和电流倍率自适应模型

【分类】电池大倍率模型

【题目】A temperature and current rate adaptive model for high-power lithium-titanate batteries used in electric vehicles.

【作者】Anci Chen, Weige Zhang, Caiping Zhang, Weinan Huang, and Sijia Liu

【单位】National Active Distribution Network Technology Research Center, Beijing Jiaotong University,

【下载地址】https://doi.org/10.1109/TIE.2019.2955413

【摘要】以Li4Ti5O12为阳极的钛酸锂电池具有极好的功率特性和循环寿命,是电动汽车应用的理想选择。然而,传统的等效电路模型在宽温度范围和宽电流倍率范围下的性能不够理想。本文建立了一种新的电池模型,通过对Butler-Volmer方程的重新推导和简化,并将其与Nernst方程一起嵌入到等效电路模型中,使模型能适应温度和电流倍率的变化。此外,本文还考虑了欧姆电阻的non-Arrhenius特性,并用二次多项式法进行了修正。通过不同温度下的恒流试验和动态电流试验,对该模型进行了验证,验证结果表明该模型具有较好的精度。通过与传统等效电路模型的比较,模型性能得到了显著的改善。

【关键词】Butler-Volmer方程;等效电路模型;钛酸锂电池;Nernst方程;温度与电流倍率自适应

【推荐理由】钛酸锂电池具备大倍率下充放电的能力,但受电池极化现象的影响,现有等效电路模型在大倍率下精度差。为了提高现有模型在大电流倍率下的精度,该文献尝试引入部分电化学方程至原有等效电路模型中,结果表明改进后模型的精度要由于传统模型。

【关键插图】

图4 所提模型的示意图

图16 FUDS工况下,所提模型与传统一阶RC模型的端电压误差对比(a)5℃;(b)35℃

图18 模型误差随参数的变化而变化,即模型参数灵敏度分析


论文二:从电池单体到电极:单个电池电极的荷电状态和健康状态的实时估计

【分类】电极SOC、SOH估计

【题目】From battery cell to electrodes: real-time estimation of charge and health of individual battery electrodes

【作者】Satadru Dey, Ying Shi, Kandler Smith, Andrew M. Colclasure, and Xuemin Li

【单位】Department of Electrical Engineering, University of Colorado Denver;National Renewable Energy Laboratory, Golden, USA.

【下载地址】https://doi.org/10.1109/TIE.2019.2907514

【摘要】电池内部变量的准确信息对于考虑健康的最佳电池管理至关重要。由于缺乏测量,先进的电池管理系统严重依赖于提供电池内部信息的估计算法。尽管文献对电池单体层级的荷电状态和健康状态估计算法进行了广泛探索,但对电极层级的算法几乎是不存在的。电极层级估计的主要障碍是可观测性问题,即单个电极的状态不能从电池两端电压输出中观察到。然而,如果可行的话,实时反馈电极层级的荷电状态和健康状态可以极大地提高能源利用率和电池寿命。基于这种情况,本文提出了一种实时算法来估计单个电极的可用电量和健康状态。我们通过提出一个基于不确定模型的级联估计框架来避免上述可观测性问题。结合Lyapunov稳定性理论、自适应观测器理论和互联系统理论,对该方案进行了设计和分析。最后,通过大量仿真和实验研究,说明了本文所提估计方案的有效性。

【关键词】电池;容量;电极层级状态估计;荷电状态;健康状态

【推荐理由】不同于以往电池单体层级的状态估计算法,该文献从电池电极层级对电池荷电状态与健康状态进行了估计。

【关键插图】

图1 电池电极层级荷电状态(以θp/θn表示)和健康状态(以容量Qp/Qn表示)实时估计方案

图3 不确定内阻R下的荷电状态与健康状态估计误差。所有变量的初始误差均设置为10%。图中,Kp=1/Qp,Kn=1/Qn

图6:实验数据下的状态估计结果。所有变量的初始误差均设置为10%。图中,Kp=1/Qp,Kn=1/Qn


论文三:基于可信增量的混合状态估计方法在大传感器和模型误差电动汽车中的应用

【分类】SOC估计

【题目】A hybrid state-of-charge estimation method based on credible increment for electric vehicle applications with large sensor and model errors

【作者】Xin Lai, Shuyu Wang, Long He, Long Zhou, Yuejiu Zheng?

【单位】College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, PR China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.est.2019.101106

【摘要】在电动汽车中,荷电状态估计是一个关键问题,它受模型误差和传感器误差的影响。针对模型和传感器误差较大的问题,提出了一种基于SOC增量的高可信度SOC估计方法。首先分析了安培小时计数法(AHC)和扩展卡尔曼滤波法(EKF)的SOC误差增量特性,确定了更可靠的SOC增量。首先分析了安培小时计数法(AHC)和扩展卡尔曼滤波法(EKF)的SOC误差增量特性,确定了更可靠的SOC增量。其次,提出了一种混合SOC估计方法,该方法利用AHC方法与电压传感器和等效电路模型误差之间的不相关性,结合EKF方法与电流传感器和模型误差之间的弱相关性,在整个SOC范围内进行SOC估计。最后,通过两种电池的三次动态应力测试,对所提出的混合方法进行了评价,结果表明,该方法能有效地抑制较大的传感器和模型误差,具有较高的精度和鲁棒性。

【关键词】混合状态估计法;扩展卡尔曼滤波;安时计数法;锂离子电池;电动汽车

【推荐理由】常用的精确SOC估计方法,如AHC和EKF,都是针对理想的电池和BMS条件,没有或非常小的模型和传感器误差。然而,BMS传感器和LIB模型在实际应用中会出现误差,并且随着电池的老化和暴露在不理想的环境温度下而增加,导致SOC估计误差较大。针对这一问题,本文提出了一种能有效抑制传感器和模型误差负面影响的混合SOC估计方法。通过三个循环试验(NEDC、DST和FUDS)的许多实例验证,在大多数情况下,与EKF和AHC方法相比,该方法的精度较高,除非模型和传感器误差非常小(在这种情况下,混合方法的精度仍在可接受的范围内)。提出的混合方法对传感器和电池模型误差具有很强的适应性,因此非常适合在电动汽车中实现。在未来的研究中,我们将致力于开发一种更智能的混合方法,通过抑制模型误差和传感器误差的负面影响,进一步提高SOC估计的精度。

【关键插图】

图1 在NEDC测试下,考虑传感器和模型误差的AHC和EKF方法的相对SOC增量特性


论文四:锂离子电池荷电状态估计的参数敏感性分析及等效电路模型简化

【分类】SOC估计

【题目】Parameter sensitivity analysis and simplification of equivalent circuit model for the state of charge of lithium-ion batteries

【作者】Xin Lai, Shuyu Wang, Long He, Long Zhou, Yuejiu Zheng?

【单位】College of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, PR China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135239

【摘要】为了保证模型的准确性,等效电路模型(ECM)中的模型参数会随着健康状态(SOH)和荷电状态(SOC)的变化而不断更新。本文研究了单滞环2RC模型的参数敏感性,以确定模型的关键参数。首先,在动态工况下,利用粒子群算法对2RCH的模型参数进行辨识。其次,采用一次一因素法对两种电池2RCH参数的敏感性进行了定性分析。第三,提出了一种简化模型,其中灵敏度高的关键参数用SOC和SOH更新,其余参数保留初始值,在保证模型精度的同时大大降低了计算复杂度。最后,基于简化ECM的两种电池SOC估计。在不同SOHs下的整个SOC范围内,采用扩展卡尔曼滤波器进行滤波。实验结果表明,通过更新关键参数得到的SOC精度与更新所有参数得到的精度基本相同。简化模型有利于避免在SOC估计中对不同SOC和SOH范围的模型参数进行不必要的重复计算。

【关键词】等效电路模型;参数识别;敏感性分析;充电状态;锂离子电池

【推荐理由】 本文通过对ECM参数敏感性的研究,确定了ECM的关键参数,在此基础上,对ECM进行了简化,得到了在整个SOC范围内不同SOHs下的SOC估计。

【关键插图】

图1 LFP电池在整个SOC范围内的相对参数灵敏度

图2 LPF电池在不同SOH下的参数灵敏度


论文五:线性化锂离子电池内部电化学变量传递函数模型的改进

【分类】电池电化学模型

【题目】Improved transfer functions modeling linearized lithium-ion battery-cell

internal electrochemical variables

【作者】Albert Rodríguez, Gregory L. Plett?, M. Scott Trimboli

【单位】Department of Electrical and Computer Engineering, University of Colorado Colorado Springs, Colorado Springs, CO 80918, United States

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.est.2018.06.015

【摘要】电池管理系统(BMS)需要计算简单但高度精确的电池模型。历史上,经验的等效电路模型已经被使用,但越来越多的研究人员将注意力集中在基于物理的模型上,因为它们具有更强的预测能力。这些模型具有很高的内在计算复杂度,因此必须经过某种降阶过程,以使其在BMS中的应用成为可能:我们倾向于基于传递函数近似的方法来模拟电池动力学。

在以前的工作中,通过两个假设,从全阶偏微分方程模型中找到了传递函数:(1)线性化假设,这是建立传递函数的基本必要条件;(2)便利性假设,将电解液电位和电解液浓度偏微分方程解耦,以便提供一种方法求解偏微分方程的传递函数。本文说明了如何消除第二种假设的需要,从而保持这两种偏微分方程之间的耦合,提高整体模型精度。由于电解液浓度梯度增加了电解液电位和电解液浓度偏微分方程之间的耦合,因此在模拟恒定电流分布时,由这些传递函数建立的时域模型得到了特别的改进。

【关键词】电化学变量;传递函数;锂离子电池模型;降阶模型

【推荐理由】电化学模型因其方程的耦合及计算的复杂一直难以实际使用,采用传递函数的方程求解思路,即保证了模型的完整性,简化了耦合方程计算,同时从传递函数出发的模型降阶过程是个控制领域出发的阶数选取问题,求解思路更加独立。

【关键插图】

图1 传递函数求解流程

图2 时域仿真结果


论文六:结合电池/氢储能的可再生能源系统生命周期优化配置的比较研究

【分类】多功率源系统设计

【题目】Life Cycle Optimization of Renewable Energy Systems Configuration with Hybrid Battery/Hydrogen Storage: A Comparative Study

【作者】Yisong Zhang, Q.S. Hua, Li Sun, Qie Liu

【单位】School of Energy and Environment, Southeast University

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101470

【摘要】本文以动力电池和/燃料电池混合能源系统为对象,研究应用于光伏和风力发电领域中经济效率差异。首先建立包含各部件投资和运营成本的经济模型,为了综合考虑,在经济模型中考虑了发电和热回收。本文提出一种混合可再生能源系统全生命周期资金优化问题,以确定系统的最优配置。通过对此数学问题求解,定量对比分析了两种储能方法应用的经济成本和优势。此外,通过对未来工业应用中氢气成本的预测,探讨了氢储能的潜力。

【关键词】混合可再生能源系统;氢储能;经济性评价;全局优化

【推荐理由】动力电池和燃料电池储能是两种极具前景的储能技术。本文通过建立相关参数配置下此两种混合储能系统的投资成本和运行成本的经济评价模型,并对此定量分析,此研究对储能系统发展研究具有良好的指导意义。

【关键插图】

图1 混合储能系统拓扑结构

图2 每天中平均每小时的电负载和热负载变化


论文七:面向低温环境下电动汽车用的被动式多电源存储系统

【分类】多功率源系统设计

【题目】Life Cycle Optimization of Renewable Energy Systems Configuration with Hybrid Battery/Hydrogen Storage: A Comparative Study

【作者】Simone Barcellona, Luigi Piegari, Andrea Villa

【单位】Information and Bioengineering, Politecnico di Milano

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.est.2019.100833

【摘要】动力电池与超级电容的多电源系统配置方式包括被动式、半主动式和全主动式。尽管被动式结构由于其特性缺陷而被放弃,但本文采用此种结构重点讨论低温环境下的系统状态变化。事实上,锂离子电池在极低温度下会因失效而使电动车无法启动。即使采用电池预热系统也存在一定弊端。本文基于实验测试结果,在低温下在动力电池系统中结合一个相对较小超级电容组就能够使车辆在非常恶劣的条件下使用。

【关键词】锂离子动力电池;超级电容;电动汽车;多电源储能系统

【推荐理由】在动力电池和超级电容组成的多电源系统中,主流研究偏向于系统结构设计、参数配置、功率优化控制。随着这些方面研究的成熟,低温工作环境、系统老化等特殊状态下的系统研究逐渐成为研究方向之一。

【关键插图】

图1 不同温度和工况循环状态下电池的电压变化(蓝线和红线分别为单一和复合储能系统)


论文八:基于电池和超级电容的储能系统快速联合控制策略验证

【分类】多功率源系统设计

【题目】Validation of Faster Joint Control Strategy for Battery- and Supercapacitor-Based Energy Storage System

【作者】Ujjal Manandhar, Narsa Reddy T ummuru, Sathish Kumar Kollimalla.

【单位】School of Electrical and Electronics Engineering, Nanyang T echnological University , Singapore

【下载地址】https://doi.org/10.1109/TIE.2017.2750622

【摘要】储能系统(ESS)通常用于管理可再生能源(RESs)的间歇性。为了有效地保持RESs、负载需求和ESS之间的功率平衡,需要采用适当的控制策略。混合储能系统(HESS)的传统控制策略是采用高/低通滤波方法进行系统网功率分解和ESS功率分配。本文提出了一种以电池和超级电容器为核心的光伏直流并网系统联合控制策略。新的联合控制策略利用来自电池系统的无补偿功率来提高性能。与传统的控制策略相比,本文提出的控制策略具有更快的直流电压恢复速度和电池与SC之间的有效功率共享。文中还对所提出的控制策略进行了详细的稳定性分析。通过短期和长期的实验研究,验证了该控制策略相对于传统控制策略的有效性。

【关键词】电池控制;混合能源储能系统(HESS);可再生能源;超级电容(SC)控制

【推荐理由】本文为研究光伏直流并网系统结合复合电源能源管理优化的实用性较高的一篇文章。方便读者快速了解光伏直流并网系统的工作原理、复合电源系统在并网系统中的应用和该系统如何通过控制策略实现能量的优化分配及管理,本文内容关联当前热门的清洁能源优化储能系统话题,具有很高的参考价值。

【关键插图】

图1 具有HESS的光伏系统架构

图2 优化控制策略


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